大空間單雙層復(fù)合索承PTFE膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

任 俊，董萬(wàn)龍，杜福祥，侯春明，宋柏瑜

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430075)

0 引言

薄膜結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)及建筑設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)輕巧、高強(qiáng)、透光的特點(diǎn)，可在大跨度、大體量的公共建筑中營(yíng)造自然、和諧、明亮的內(nèi)部空間。薄膜結(jié)構(gòu)尤其適用于大型體育場(chǎng)館、展覽中心、大體量公共建筑等。樂(lè)山市奧林匹克中心建設(shè)項(xiàng)目體育場(chǎng)內(nèi)圈屋蓋創(chuàng)造性地采用了單雙層混合索膜結(jié)構(gòu)，為世界首例。該結(jié)構(gòu)新穎奇特，造型美觀。

1 工程概況

樂(lè)山市奧林匹克中心建設(shè)項(xiàng)目為四川省第十四屆運(yùn)動(dòng)會(huì)主場(chǎng)館，包括體育場(chǎng)、體育館、游泳館、綜合訓(xùn)練館和產(chǎn)業(yè)配套用房、地下車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房、室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)及相關(guān)配套服務(wù)設(shè)施?？偨ㄖ娣e為152 804m2，其中體育場(chǎng)建筑面積68 783m2，總坐席數(shù)29 984座，其中固定坐席21 510座，臨時(shí)坐席8 474座。

主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋平面近似橢圓形，南北向長(zhǎng)約244m，東西向?qū)捈s235m，東西結(jié)構(gòu)跨度為205m。屋蓋內(nèi)圈為車(chē)輻式單雙層混合索膜結(jié)構(gòu)，外圈為支撐索膜屋蓋的外環(huán)受壓桁架，其中膜結(jié)構(gòu)共42榀，懸挑長(zhǎng)44m，單榀跨度12～16m，采用PTFE膜材，索膜結(jié)構(gòu)如圖1所示。膜單元下方為支承膜的拱桿，拱桿兩端設(shè)置拱索連接，膜通過(guò)專(zhuān)用鋁合金夾具夾持在拱桿上方，膜四周通過(guò)專(zhuān)用鋁型材、U形夾具與支承索網(wǎng)徑向索、外環(huán)受壓桁架鋼管、邊索形成拉結(jié)。鋁型材及U形夾連接節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖1 索膜結(jié)構(gòu)

圖2 鋁型材及U形夾連接節(jié)點(diǎn)

2 施工重難點(diǎn)

PTFE膜材是在超細(xì)玻璃纖維織物上涂聚四氟乙烯樹(shù)脂(PTFE)而成的材料，其透光性好、耐腐蝕、防水防火、自清潔效果好。索膜結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)、施工階段重難點(diǎn)及控制措施如下。

1)由于索膜結(jié)構(gòu)支承于外環(huán)受壓鋼桁架上方，且索結(jié)構(gòu)為新型單雙層混合結(jié)構(gòu)體系，其提升方法和預(yù)應(yīng)力張拉方法均與傳統(tǒng)索膜結(jié)構(gòu)不同，對(duì)外環(huán)受壓鋼桁架和膜結(jié)構(gòu)作用復(fù)雜。為保證膜結(jié)構(gòu)的最終成型效果，除嚴(yán)格控制鋼桁架安裝誤差外，還應(yīng)分析索結(jié)構(gòu)提升過(guò)程中鋼桁架的應(yīng)力應(yīng)變，測(cè)量索結(jié)構(gòu)提升完成后鋼桁架的空間位置，在索結(jié)構(gòu)施工階段消除誤差影響。索結(jié)構(gòu)提升過(guò)程中鋼桁架應(yīng)變?nèi)鐖D3所示，鋼桁架空間位置誤差如圖4所示。

圖3 鋼桁架應(yīng)變

圖4 鋼桁架空間位置誤差(單位：mm)

2)PTFE膜成形效果對(duì)膜結(jié)構(gòu)自清潔性能具有決定性影響。為保證PTFE膜安裝順利，獲得較好的自清潔與排水效果，在膜結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)階段需綜合考慮索結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工誤差、膜材伸長(zhǎng)率、膜結(jié)構(gòu)張拉過(guò)程中產(chǎn)生的二次變形、膜單元熱合長(zhǎng)度、卷邊長(zhǎng)度等影響因素，通過(guò)計(jì)算確定膜單元加工尺寸，制訂科學(xué)合理的膜材裁剪方案。

3)索結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)體系，受膜結(jié)構(gòu)張拉力作用時(shí)，徑向索將沿環(huán)向產(chǎn)生位移和撓度，導(dǎo)致徑向索空間姿態(tài)產(chǎn)生變化，該變化反饋到膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次變形，二次變形對(duì)膜單元自身安裝效果及整個(gè)膜結(jié)構(gòu)成型效果均有影響。建立計(jì)算模型，計(jì)算不同荷載組合膜單元支座反力、膜支承體系組合位移及膜應(yīng)力，從而掌握膜結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的徑向索位移，以確定膜結(jié)構(gòu)的二次變形。

4)充分發(fā)揮PTFE膜自清潔優(yōu)點(diǎn)是該項(xiàng)目施工重點(diǎn)。除在深化設(shè)計(jì)階段通過(guò)計(jì)算合理確定加工尺寸與裁剪方案外，在施工圖設(shè)計(jì)階段，計(jì)算分析不同坡度、排水系統(tǒng)組合下，膜結(jié)構(gòu)屋面的自清潔效果，選擇具有最佳清潔效果的膜面坡度和排水系統(tǒng)；在施工階段，結(jié)合膜屋面施工要點(diǎn)，重點(diǎn)控制膜面繃緊效果，使雨水從膜屋面快速排出，避免積水；膜材熱合施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)控制膜材的熱合質(zhì)量，不得燙傷熱合區(qū)域周邊膜面，影響自清潔功能。

3 膜結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與加工

3.1 膜裁剪深化

單榀膜需在后場(chǎng)裁剪熱合后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝，膜裁剪深化時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：①保證受力性能良好 裁剪線與膜徑向一致，沿膜主應(yīng)力方向；②便于加工 避免裁剪線過(guò)于集中，以方便邊角處理；③節(jié)省 即節(jié)省膜且使接縫總長(zhǎng)度盡可能短；④美觀 拱支承膜的裁剪線宜垂直于拱的跨度方向，保證良好的視覺(jué)效果。膜裁剪線確定后，根據(jù)熱合長(zhǎng)度及膜材伸長(zhǎng)率計(jì)算確定單塊膜材加工尺寸。

3.2 支承拱桿及拱索深化

支承拱桿深化設(shè)計(jì)主要確定拱桿加工長(zhǎng)度，由于拱桿連接單雙層復(fù)合支承索網(wǎng)徑向索，深化設(shè)計(jì)前需采集索網(wǎng)徑向索實(shí)際間距數(shù)據(jù)，按采集數(shù)據(jù)對(duì)拱桿水平長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)深化調(diào)整，再根據(jù)施工圖中要求的拱徑、拱高確定拱桿加工尺寸，同時(shí)確定拱索加工長(zhǎng)度。

3.3 膜材加工

1)膜材裁剪 膜材加工采用專(zhuān)用數(shù)字化加工設(shè)備，通過(guò)與設(shè)計(jì)深化圖數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)膜片配置全自動(dòng)化，配置結(jié)果傳送到數(shù)控裁剪裝置執(zhí)行自動(dòng)裁剪。裁剪完成后，由操作人員核對(duì)尺寸，裁剪工序均留取原匹樣片備案。裁剪步驟為：①檢查裁剪資料及膜材外觀，獲得缺點(diǎn)位置，決定剪取材料位置，切割位置要避開(kāi)膜材原料上的瑕疵點(diǎn)；②將裁剪位置資料轉(zhuǎn)送到自動(dòng)裁剪機(jī)；③裁剪機(jī)自動(dòng)切割膜材；④檢查膜材尺寸及裁剪情況。

2)膜熱合 膜熱合使用的所有熱合機(jī)均實(shí)行開(kāi)機(jī)試驗(yàn)，根據(jù)當(dāng)日所加工的膜材特性，調(diào)控機(jī)械溫度和操作時(shí)間進(jìn)行取樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜片的均勻熔接，提高膜片剝離試驗(yàn)強(qiáng)度，從而控制當(dāng)日熱合的合格程度和工藝穩(wěn)定性，每道熱合工序完成后，均安排專(zhuān)人檢查。

3)膜收邊 膜熱合完成后，根據(jù)深化設(shè)計(jì)圖尺寸要求進(jìn)行收邊，同步完成膜邊繩的安裝。

4 膜結(jié)構(gòu)安裝

4.1 施工通道及焊接平臺(tái)方案比選

1)施工通道方案比選 參考實(shí)際工程中膜結(jié)構(gòu)安裝施工通道搭設(shè)方法，選擇在支承網(wǎng)徑向索下方搭設(shè)施工通道。經(jīng)比選研究，確定膜結(jié)構(gòu)施工通道采用成品鋼跳板，下方設(shè)置U形鋼連接件兜底，U形連接件兩端掛鉤掛設(shè)于支承索網(wǎng)徑向索上。鋼跳板與U形連接件使用鋼絲綁扎固定，在掛點(diǎn)處使用專(zhuān)用緊固裝置將U形掛鉤緊固于徑向索上，防止施工通道滑動(dòng)。施工通道搭設(shè)完成后，須經(jīng)驗(yàn)收合格后再投入使用。鋼跳板與U形連接件在地面拼裝成整體后用起重機(jī)吊至安裝位置，由登高車(chē)運(yùn)送工人至相應(yīng)位置輔助安裝。安裝效果如圖5所示。

圖5 施工通道安裝效果

2)焊接平臺(tái)方案比選 鋼結(jié)構(gòu)勁板焊接操作平臺(tái)可選擇鋼掛籃或登高車(chē)。由于勁板焊接速度較快，單點(diǎn)焊接作業(yè)量小，且外環(huán)受壓桁架鋼管直徑、支承索網(wǎng)徑向索間距較大，將鋼掛籃掛設(shè)在外環(huán)受壓桁架鋼管或支承索網(wǎng)徑向索上，都將導(dǎo)致鋼掛籃質(zhì)量較大，焊接平臺(tái)難以快速移動(dòng)。因此，從現(xiàn)場(chǎng)安裝施工便利性、經(jīng)濟(jì)性和施工速度方面考慮，選擇登高車(chē)作為焊接操作平臺(tái)。勁板與連接鋼管提前在地面焊接組裝，按4～5m一段分段吊裝至安裝位置，與外環(huán)受壓鋼桁架焊接連接，焊接完成后及時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。勁板及連接鋼管焊接效果如圖6所示。

圖6 勁板及連接鋼管焊接效果

4.2 支承拱桿安裝

支承拱桿與拱索分別在后場(chǎng)生產(chǎn)，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)堆放，預(yù)先在地面上連接固定，將牽引繩穿過(guò)拱桿頂部的鋁合金夾具，在拱桿中間系纜繩，再整體吊裝。先確定每根支承拱桿的吊裝平衡點(diǎn)，特殊情況下可在弧拱桿上焊接吊點(diǎn)耳板，采用起重機(jī)將拱桿吊裝至安裝點(diǎn)位，人員步行至安裝點(diǎn)位，將對(duì)拉螺栓穿過(guò)耳板預(yù)留孔，擰緊螺栓固定。拱桿固定后再將纜繩兩端分別拉設(shè)在支承索網(wǎng)徑向索上，對(duì)拱桿形成拉結(jié)固定。拱桿安裝順序?yàn)閺膬?nèi)環(huán)到外環(huán)、東西側(cè)對(duì)稱(chēng)同步。支承拱桿安裝效果如圖7所示。

圖7 支承拱桿安裝效果

由于支承拱桿端頭耳板與徑向索夾為銷(xiāo)軸連接，因此只需在支承拱桿吊裝到位后將銷(xiāo)軸穿過(guò)支承拱桿端部耳板、徑向索夾預(yù)留孔內(nèi)，擰緊螺母，便可實(shí)現(xiàn)支承拱桿與徑向索夾的精準(zhǔn)連接。由于拱桿空間設(shè)計(jì)位置與地面垂直，在支承拱桿安裝過(guò)程中需借助人工對(duì)拱桿垂直度進(jìn)行初調(diào)，保證基本與地面垂直。由于膜單元相對(duì)索結(jié)構(gòu)與外環(huán)受壓鋼桁架位置固定，且膜單元與拱桿連接固定，膜單元張拉時(shí)，拱桿空間位置也將隨膜單元變動(dòng)，最終在膜單元張拉固定就位時(shí)，支承拱桿也隨之達(dá)到設(shè)計(jì)位置，即依靠膜單元的張拉力可有效實(shí)現(xiàn)支承拱桿被動(dòng)精調(diào)。

4.3 膜吊裝

首跨膜吊裝時(shí)，需在擬安裝跨設(shè)置承壓繩網(wǎng)，作為膜展開(kāi)時(shí)的依托。承壓繩網(wǎng)材料可選擇尼龍繩，繩網(wǎng)安裝時(shí)，沿支承索網(wǎng)徑向索方向每隔3m拉1道，繩索兩端通過(guò)緊繩器分別與外環(huán)連接鋼管、內(nèi)環(huán)索連接。繩網(wǎng)安裝完成后，通過(guò)緊繩器對(duì)繩索施加足夠的力，以避免膜材在牽引過(guò)程中與鋼結(jié)構(gòu)接觸，造成膜面損壞或污染。除第1跨膜外，其余膜直接吊裝至臨跨已安裝膜上方，無(wú)須再搭設(shè)承壓繩網(wǎng)。

膜材在運(yùn)輸前已正反折疊，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，清理地面，根據(jù)膜安裝部位找出相同編號(hào)的膜包，將膜展開(kāi)，將滾筒吊裝至膜端部，拉動(dòng)滾筒將膜卷在滾筒表面，再使用起重機(jī)將滾筒與膜一起吊裝至內(nèi)環(huán)索上方，準(zhǔn)備進(jìn)行膜的張拉。

4.4 膜張拉展開(kāi)

1)縱向張拉展開(kāi) 膜吊裝至安裝位置后，使用專(zhuān)用夾具夾緊膜弦向膜邊繩，再將牽引繩連接在專(zhuān)用夾具上，從左至右依次安裝3～4道，人員站在外環(huán)受壓鋼桁架上方同步拉動(dòng)牽引繩，膜沿徑向開(kāi)始緩緩張拉展開(kāi)，在膜兩側(cè)施工通道上安排人員輔助張拉，保證膜的順利展開(kāi)。

2)橫向張拉展開(kāi) 膜材縱向張拉完成后，取下縱向張拉時(shí)安裝的夾具與牽引繩，在膜材兩側(cè)徑向膜邊索上安裝專(zhuān)用夾具，再將拱桿頂部的牽引繩連接在專(zhuān)用夾具上，牽引繩另一側(cè)連接在手動(dòng)葫蘆上，手動(dòng)葫蘆與徑向索連接固定，然后開(kāi)始橫向牽引膜材。由于膜材平面呈梯形，橫向牽引張拉時(shí)，先牽引靠近外環(huán)受壓桁架位置處，然后依次牽引中間位置、內(nèi)環(huán)索位置膜材，使膜材與支承拱桿形成一定角度，同步牽引到位，減少膜材張拉過(guò)程中的摩擦阻力，便于膜材橫向展開(kāi)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)橫向展開(kāi)困難時(shí)，可在膜材環(huán)向膜邊繩上也設(shè)置張拉點(diǎn)，方法與上述方法相同，手動(dòng)葫蘆設(shè)置在膜材斜前方的外環(huán)受壓桁架和內(nèi)環(huán)索上。膜材橫向張拉展開(kāi)到位后，應(yīng)立即固定，無(wú)法及時(shí)固定時(shí)，須在膜上方安裝防風(fēng)繩，按縱向4m一道布置，綁扎在外環(huán)受壓桁架和內(nèi)環(huán)索上。

4.5 膜固定

膜材牽引到位后，先將鋁型材安裝到膜材四周膜邊繩上，再將U形夾套在徑向索、外環(huán)受壓桁架處連接鋼管及邊索上，然后拉動(dòng)手動(dòng)葫蘆，將膜材張拉至設(shè)計(jì)位置后，使用螺栓將鋁型材與U形夾連接，完成膜材的固定，同一徑向索兩側(cè)的膜材宜對(duì)稱(chēng)同步固定。膜材固定時(shí)，應(yīng)同步安裝蓋口膜支撐鋁板預(yù)埋角鋼。膜材固定效果如圖8所示 。

圖8 膜固定效果

4.6 蓋口膜安裝

兩塊相鄰單元膜塊固定安裝完成后，先拆除徑向施工通道，再安裝蓋口膜。在徑向索夾位置，蓋口膜依靠下方支撐鋁板對(duì)自身形成支撐作用，因此優(yōu)先安裝支撐鋁板，支撐鋁板兩端與膜材固定時(shí)預(yù)埋角鋼通過(guò)抽芯鉚釘連接。在靠近索夾徑向索上設(shè)置支撐抱箍件，再使用抽芯鉚釘將支撐鋁板與抱箍連接，對(duì)鋁板中間形成支撐。在徑向索位置，蓋口膜依靠下方鍍鋅鋼板形成支托，鍍鋅鋼板與兩端U形夾采用抽芯鉚釘連接。支撐鋁板或鍍鋅鋼板安裝完成后，再安裝蓋口膜，蓋口膜與兩端膜采用熱合連接。

5 結(jié)語(yǔ)

薄膜結(jié)構(gòu)建筑造型自由輕巧、豐富多變，施工快捷，使用安全，在現(xiàn)代大跨度建筑中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文以樂(lè)山市奧林匹克中心建設(shè)項(xiàng)目新型車(chē)輻式單雙層混合索膜結(jié)構(gòu)為依托，從深化設(shè)計(jì)、后場(chǎng)加工及現(xiàn)場(chǎng)安裝等方面詳細(xì)介紹了大空間單雙層復(fù)合索承PTFE膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。該技術(shù)可有效保證膜結(jié)構(gòu)順利安裝，使膜結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量處于可控范圍內(nèi)。